● 摘要
随着通信技术的迅速发展，地面数字电视传输技术的发展也日新月异，在丰富人们精神文化生活的同时，产生了极大的经济效益和社会效益。目前我国地面电视广播处于模数同播时期，频谱资源紧缺，单频网(SFN)因频谱利用率高等诸多优点已经成为主要的地面数字电视覆盖网络部署形式。开展单频网规划技术的研究，有助于我国顺利完成模拟电视向数字电视的转化，推动我国地面数字电视产业的发展，同时可为新一代地面数字电视多媒体广播传输系统标准的研制提供技术参考。
本文从地面数字电视单频网规划工具研制角度出发，对DTMB接收机抗SFN回波干扰性能、单频网覆盖率估计与优化方法、最优大区域单频网规划等方面进行了深入研究，设计并实现了地面数字电视单频网规划及优化工具，南京地区DTMB单频网应用试验优化结果验证了优化方法的有效性。在与西班牙巴斯克大学(UPV/EHU)通信工程系信号处理与无线通信研究组(TSR)和德国无线电研究所(IRT)频谱管理组的欧盟国际合作中，进一步验证了本文所提出的覆盖率估计方法的准确性，并将该规划工具应用于DVB-T2大区域单频网规划研究中。具体来说，论文的创新性工作及主要成果如下。
1. 在单频网中，存在延时较大的强回波，当回波延时大于保护间隔(GI)时，将产生自干扰。基于国家数字电视工程重点实验室测试平台，提出了一种DTMB抗单频网回波干扰性能测试方法，测试结果表明，DTMB接收机抗0dB回波的最大延时约等于GI，当回波延时大于0dB回波的最大延时时，有用功率占总功率的百分比小于10%，随着回波延时的逐步增大，回波信号功率全部变为干扰功率。
2. 在深入分析单频网中接收信号特点及场强变化特性的基础上，提出了一种地面数字电视单频网覆盖率估计方法，包括电波传播预测、接收机抗干扰模型、信号合成、覆盖地点概率计算四个模块。电波传播预测模块预测单频网中各发射机到达接收地点的距离、时间和场强；接收机抗干扰模型模块在选择接收机FFT窗口同步方法、抗回波干扰性能模型的基础上，计算各发射机在接收地点的有用功率和干扰功率；信号合成模块利用t-LNM合成方法计算接收地点处合成有用功率和合成干扰功率的对数正态分布参数；最后利用标准正态分布互补累积分布函数(CCDF)计算覆盖小区的覆盖地点概率。该方法估计结果更实际且相比蒙特卡罗法的计算量大幅减小。
3. 改变单频网中各发射机在接收地点处的相对时延差是一种提高覆盖率的零成本的直接有效方法，提出了一种基于遗传算法(GA)的单频网覆盖率优化方法，以覆盖率最大为目标函数，基于GA求解各发射机附加发射延时的最优组合，该方法克服了发射机数目较多时人工估计附加发射延时的难点，且准确度高。该方法应用于南京地区DTMB单频网规划实际场景中，优化后覆盖率明显提高，验证了该方法的有效性和可行性。
4. 绿色通信和可持续发展是当今社会的两大主题，网络规划在满足覆盖要求的同时，还应兼能源、环境污染、人类健康等社会问题。提出了一种基于遗传算法的绿色单频网规划方法，以覆盖目标为约束条件，以最小化网络耗能量、二氧化碳排放量以及电磁辐射量为目标函数，基于遗传算法求解网络配置参数。以我国南京地区为规划区，该方法规划结果与分别以最小化发射机数目、网络耗能量、电磁辐射量为单目标函数的三种规划结果的对比表明，该方法可实现低能、低碳和低电磁辐射的绿色网络。
5. 与欧洲广播联盟(EBU)成员-德国无线电技术研究所(IRT)频谱管理组单频网覆盖地点概率估计结果进行了对比，进一步验证了本文所提出的单频网覆盖地点概率估计方法的准确性，仿真结果表明接收机特性对单频网覆盖结果有重要的影响。频谱资源稀缺，大区域SFN和小同频复用距离(RUD)可以提高频谱利用率。为了使结论具有通用性，基于理论六边形单频网模型提出了一种最优大区域单频网规划方法，针对固定、便携和移动接收提出了不同的参考网络模型，研究了载噪比(C/N)、保护间隔(GI)、网络结构(发射站址间距离(ISD)、有效辐射功率(ERP)、有效发射天线高度(heff))对SFN最大覆盖区及最小同频复用距离的影响。仿真结果表明，GI并不是影响SFN最大覆盖区的唯一参数，SFN最大覆盖区和最小同频复用距离均与C/N和网络结构密切相关。
6. 除了频谱利用率，高塔大功率(HPHT)和低塔低功率(LPLT)两种网络结构的网络成本也成为研究讨论热点。对比研究了在固定接收模式下已有HPHT广播网络和新建蜂窝LPLT网络的发射机数目和网络成本。基于西班牙巴斯克区实际规划场景的规划结果表明，为达到当前HPHT网络固定接收下的覆盖目标，LPLT网络的发射机数目和网络成本分别是HPHT网络的3.3倍和3倍。